CN110247755A - 一种攻击演示装置以及攻击演示方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种攻击演示装置以及攻击演示方法，通过同步光波分复用模块可以将第一光电系统输入的光电信号进行同步光以及信号光的波分解复用，以将同步光以及信号光分开，通过前端截获探测模块分别探测所述同步光波分复用模块输入的同步光以及信号光，通过后端重发光源模块基于所述前端截获探测模块的探测结果，向所述第二光电系统进行相应的后端光源重发，或用于根据预设校准反馈参数，直接向所述第二光电系统进行预设的后端光源重发，进而通过所述攻击演示装置展现量子密钥分发系统的自身不可攻击的特性。

Description

一种攻击演示装置以及攻击演示方法
技术领域
本发明涉及量子保密通信技术领域，更具体的说，涉及一种攻击演示装置以及攻击演示方法。
背景技术
量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)与经典密钥体系的根本不同在于其采用单个光子或纠缠光子对作为密钥的载体，由量子力学的三大基本原理(海森堡测不准原理、测量塌缩理论、量子不可克隆定律)保证了该过程的不可窃听、不可破译性，从而提供了一种更为安全的密钥体系。
近几年来，随着国内外各大量子通信试验网的相继建立，量子密钥分发系统已经开始迈向商品化发展的阶段，相应的一些攻防演示和安全检测需求也逐渐凸显。因此如何将自身不可攻击的特性展现出来显得非常有必要。
发明内容
为了解决上述问题，本发明技术方案提供了一种攻击演示装置以及攻击演示方法，可以用于展现量子密钥分发系统的自身不可攻击的特性。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种攻击演示装置，用于量子密钥分发系统，所述量子密钥分发系统包括具有第一光电系统的发射端以及具有第二光电系统的接收端，所述攻击演示装置包括：
同步光波分复用模块，用于将第一光电系统输入的光电信号进行同步光以及信号光的波分解复用，以将同步光以及信号光分开；
前端截获探测模块，用于分别探测所述同步光波分复用模块输入的同步光以及信号光；
后端重发光源模块，用于基于所述前端截获探测模块的探测结果，向所述第二光电系统进行相应的后端光源重发，或用于根据预设校准反馈参数，直接向所述第二光电系统进行预设的后端光源重发。
优选的，在上述攻击演示装置，所述前端截获探测模块包括：信号光前端截获探测模块以及同步光前端截获探测模块，分别用于探测信号光以及同步光；
所述后端重发光源模块包括：信号光后端重发光源模块以及同步光后端重发光源模块，分别用于信号光以及同步光的后端光源重发。
优选的，在上述攻击演示装置，还包括：强光致盲攻击光路，所述强光致盲攻击光路用于出射设定的攻击光信号；
其中，所述强光致盲攻击光路与第一分束器连接；所述第一分束器用于将所述攻击光信号和所述信号后端重发光源模块重发的信号光耦合。
优选的，在上述攻击演示装置，所述同步光波分复用模块包括：第一波分复用器，所述第一波分复用器用于将所述第一光电系统出射的光信号进行同步光和信号光的波分解复用，其出射信号光的端口连接所述信号光前端截获探测模块，其出射同步光的端口连接所述同步光前端截获探测模块；
所述第二光电系统通过第二波分复用器分别与所述信号光后端重发光源模块以及所述同步光后端重发光源模块连接。
优选的，在上述攻击演示装置，所述同步光波分复用模块包括：第一波分复用器，所述第一波分复用器用于将所述第一光电系统出射的光信号进行同步光和信号光的波分解复用，其出射信号光的端口连接第一光开关的控制端口，其出射同步光的端口连接所述同步光前端截获探测模块；
所述第一光开关的第一导通端口通过第一延时器连接第二光开关的第一导通端口，其第二导通端口连接所述信号光前端截获探测模块；
所述信号光后端重发模块的输出端与所述第二光开关的第二导通端口连接；
所述同步光波分复用模块还第二波分复用器，所述第二光电系统通过所述第二波分复用器分别与第二光开关的控制端口以及所述同步光后端重发模块连接；
其中，同一光开关中，控制端口基于开关控制信号与第一导通端口连接且与第二导通端口断开，或是与第一导通端口断开且与第二导通端口连接。
优选的，在上述攻击演示装置，所述第二光开关与所述第二波分复用器之间设置有第四光开关，所述第四光开关的控制端口与所述第二光开关的控制端口连接，其第一导通端口与所述第二波分复用器连接；
所述第四光开关的第二导通端口连接信号光参考系校准模块，所述信号光参考系校准模块用于对信号光进行校准。
优选的，在上述攻击演示装置，所述第二光开关与所述第二波分复用器之间设置有第四光开关，所述第四光开关的控制端口与所述第二光开关的控制端口连接，其第一导通端口与所述第二波分复用器连接；
所述第一光开关的第二导通端口与所述信号光前端截获探测模块之间设置有第五光开关；所述第五光开关的控制端口与所述信号光前端截获探测模块连接，其第一导通端口与所述第一光开关的第二导通端口连接；
所述第四光开关的第二导通端口连接所述第五光开关的第二导通端口。
优选的，在上述攻击演示装置，所述信号光前端截获探测模块为信号光偏振解码模块；
所述信号光后端重发光源模块为信号光偏振编码模块。
优选的，在上述攻击演示装置，还包括：强光致盲攻击光路，所述强光致盲攻击光路用于出射设定的攻击光信号；所述强光致盲攻击光路与第一分束器连接；所述第一分束器用于将所述攻击光信号和所述信号后端重发光源模块重发的信号光耦合；
所述强光致盲攻击光路包括：第一攻击激光器、第二攻击激光器、保偏分束器以及衰减器；
所述第一攻击激光器和所述第二攻击激光器出射的激光光信号经过所述保偏分束器耦合后，通过所述衰减器的衰减出射所述攻击光信号。
优选的，在上述攻击演示装置，所述信号光前端截获探测模块为信号光相位解码模块；
所述信号光后端重发光源模块为信号光相位编码模块。
优选的，在上述攻击演示装置，所述信号光前端截获探测模块为信号光时间-相位解码模块；
所述信号光后端重发光源模块为信号光时间-相位编码模块。
优选的，在上述攻击演示装置，还包括：强光致盲攻击光路，所述强光致盲攻击光路用于出射设定的攻击光信号；所述强光致盲攻击光路与第一分束器连接；所述第一分束器用于将所述攻击光信号和所述信号后端重发光源模块重发的信号光耦合；
所述强光致盲攻击光路包括：攻击激光器以及衰减器；所述攻击激光器出射的激光信号通过所述衰减器的衰减出射所述攻击光信号。
优选的，在上述攻击演示装置，所述同步光前端截获探测模块包括：分束器以及PIN型光电管；所述分束器用于将入射的同步光分为两路，一路入射所述PIN型光电管，另一路入射所述同步光后端重发光源模块；
所述同步光后端重发光源模块包括第二延时器。
优选的，在上述攻击演示装置，所述同步光前端截获探测模块包括PIN型光电管；
所述同步光后端重发光源模块包括：同步光源以及第三延时器；所述同步光源的驱动电信号与所述PIN型光电管的探测电信号连接，同步光源输出的激光与所述第三延时器连接。
本发明还提供了一种攻击演示装置的攻击演示方法，用于量子密钥分发系统，所述量子密钥分发系统包括具有第一光电系统的发射端以及具有第二光电系统的接收端，所述攻击演示方法包括：
在所述第一光电系统与所述第二光电系统进行初始化校准时，进行攻击前校准；
攻击前校准完成后，将第一光电系统输入的光电信号进行同步光以及信号光波分解复用，以将同步光以及信号光分开；
分别探测所述同步光波分复用模块输出的同步光以及信号光；
基于所述前端截获探测模块的探测结果，重发相应的后端光源给所述第二光电系统，或用于根据预设校准反馈参数，重发预设的后端光源给所述第二光电系统。
通过上述描述可知，本发明技术方案提供的量子密钥分发系统的攻击演示装置以及方法中，通过同步光波分复用模块可以将第一光电系统输入的光电信号进行同步光以及信号光的波分解复用，以将同步光以及信号光分开，通过前端截获探测模块分别探测所述同步光波分复用模块输入的同步光以及信号光，通过后端重发光源模块基于所述前端截获探测模块的探测结果，向所述第二光电系统进行相应的后端光源重发，或用于根据预设校准反馈参数，直接向所述第二光电系统进行预设的后端光源重发，进而通过所述攻击演示装置展现量子密钥分发系统的自身不可攻击的特性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种攻击演示装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种攻击演示装置的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的又一种攻击演示装置的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的又一种攻击演示装置的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的又一种攻击演示装置的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种偏振编解码方式的攻击演示装置的原理示意图；
图7为本发明实施例提供的一种相位编解码方式的攻击演示装置的原理示意图；
图8为本发明实施例提供的一种时间-相位编解码方式的攻击演示装置的原理示意图；
图9为本发明实施例提供的一种攻击演示装置的同步光前端截获探测模块和同步光后端重发光源模块的原理示意图；
图10为本发明实施例提供的一种参考系校准的方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1，图1为本发明实施例提供的一种攻击演示装置的结构示意图，所示攻击演示装置用于QKD系统，所述QKD系统包括发射端Alice以及接收端BOb，所述发射端Alice具有第一光电系统111，所述接收端BOb具有第二光电系统121。
图1所示攻击演示装置130包括：同步光波分复用模块132，用于将第一光电系统111输入的光电信号进行同步光以及信号光的波分解复用，以将同步光以及信号光分开；前端截获探测模块131，用于分别探测所述同步光波分复用模块132输入的同步光以及信号光；后端重发光源模块133，用于基于所述前端截获探测模块131的探测结果，向所述第二光电系统121进行相应的后端光源重发，或用于根据预设校准反馈参数，直接向所述第二光电系统121进行预设的后端光源重发。
后端重发光源模块133重发的信号光以及同步光可以通过同步光波分复用模块132进行耦合后发送给所述第二光电系统121。第一光电系统111和第二光电系统121均通过量子信道与该攻击演示装置连接。
可选的，所述前端截获探测模块131包括：信号光前端截获探测模块a以及同步光前端截获探测模块c，分别用于探测信号光以及同步光；所述后端重发光源模块133包括：信号光后端重发光源模块b以及同步光后端重发光源模块d，分别用于信号光以及同步光的后端光源重发。
如图1所示，本发明实施例所述攻击演示装置中，所述同步光波分复用模块132包括：第一波分复用器WDM1，所述第一波分复用器WDM1用于将所述第一光电系统111出射的光信号进行同步光和信号光的波分解复用，其出射信号光的端口连接所述信号光前端截获探测模块a，其出射同步光的端口连接所述同步光前端截获探测模块c；所述第二光电系统121通过第二波分复用器WDM2分别与所述信号光后端重发光源模块b以及所述同步光后端重发光源模块d连接。本发明实施例中，各部分之间可以根据需求进行光纤连接或是自由光场连接。
参考图2，图2为本发明实施例提供的另一种攻击演示装置的结构示意图，图2所示攻击演示装置130在图1所示实施方式基础上还包括：强光致盲攻击光路e，所述强光致盲攻击光路e用于出射设定的攻击光信号。其中，所述强光致盲攻击光路e与第一分束器BS1连接；所述第一分束器BS1用于将所述攻击光信号和所述信号后端重发光源模块133重发的信号光耦合，二者耦合后再与所述信号后端重发光源模块133重发的同步光通过同步光波分复用模块132进行耦合后发送给所述第二光电系统121。
相对于图1所示方式，图2所示方式对于信号光的处理，除了具有图1所具有的攻击模式外，还包括可以切换到正常模式，可方便观察攻击前后系统状态的变化，以便于更好的展示攻击效果。
参考图3，图3为本发明实施例提供的又一种攻击演示装置的结构示意图，图3所示攻击演示装置130在图1所示实施方式的基础上进一步包括：第一光开关K1以及第二光开关K2。
所述同步光波分复用模块包括：第一波分复用器WDM1，所述第一波分复用器WDM1用于将所述第一光电系统111出射的光信号进行同步光和信号光的波分解复用，其出射信号光的端口连接第一光开关K1的控制端口1，其出射同步光的端口连接所述同步光前端截获探测模块c。所述第一光开关K1的第一导通端口2通过第一延时器Y1连接第二光开关K2的第一导通端口2，其第二导通端口3连接所述信号光前端截获探测模块a。所述信号光后端重发模块b的输出端与所述第二光开关K2的第二导通端口3连接。所述同步光波分复用模块132还第二波分复用器WDM2，所述第二光电系统121通过所述第二波分复用器WDM2分别与第二光开关K2的控制端口1以及所述同步光后端重发模块d连接。其中，同一光开关中，控制端口1基于开关控制信号与第一导通端口2连接且与第二导通端口3断开，或是与第一导通端口2断开且与第二导通端口3连接。
在图3所示方式中，第一光开关K1以及第二光开关K2构成信号光光路切换模块。对同步光波分复用模块的第一波分复用器WDM1分出的信号光，通过第一光开关K1和第二光开关K2进行正常光路和攻击光路的切换处理。如果不进行攻击，则两个光开关都切换到正常模式，即光开关的控制端口1均与第一导通端口2导通，使得信号光进入正常光路；如果进行攻击，则两个光开关都切换到攻击模式，即光开关的控制端口1均与第二导通端口3导通，使得信号光进入攻击光路。不同模式的切换选择可以在具有控制器的上位机中设置，也可以在攻击演示装置中设置按键或旋钮以调节光开关的导通装置，以实现不同光路的选通。
一方面，前端截获探测模块131探测同步光波分复用模块132分出的一部分同步光，用于攻击演示装置和发射端Alice的时钟同步。另一方面，前端截获探测模块131探测信号光光路切换模块切换到攻击光路中的信号光，用于攻击演示装置截获和探测发射端Alice发送的信号光。对于信号光探测，采用和接收端BOb相同的原理进行。其中需要注意的是，接收端BOb探测与攻击演示装置的前端截获探测模块探测信号光，会涉及到的步骤包括延时扫描(信号光和探测器的位置对准使得探测计数率最大)、参考系校准(比如偏振编解码系统的偏振反馈、相位编解码系统以及时间-相位编解码系统的相位反馈)。
所述信号后端重发光源模块133根据前端截获探测模块131的探测结果进行相应的后端的光源重发。比如对于如果前端截获探测模块131探测到某量子态i可取0、1、2、或3之一，那么后端重发光源模块133则通过控制激光器或调制模块，重发相应的量子态j可取0、1、2、或3之一，而i和j有对应关系，比如i＝j。
参考图4，图4为本发明实施例提供的又一种攻击演示装置的结构示意图，图4所示攻击演示装置130在图3所示实施方式的基础上进一步包括：第四光开关K4以及信号光参考系校准模块f。
所述第二光开关K2与所述第二波分复用器WDM2之间设置有第四光开关K4，所述第四光开关K4的控制端口1与所述第二光开关K2的控制端口1连接，其第一导通端口2与所述第二波分复用器WDM2连接。所述第四光开关K4的第二导通端口3连接信号光参考系校准模块f，所述信号光参考系校准模块f用于对信号光进行校准。信号光参考系校准模块f的装置结构同前端截获探测模块131。
图4所示方式中，后端重发光源模块133还包括信号光参考系校准模块f，为了使得信号光参考系校准模块f发送的重发态能匹配上接收端BOb的参考系(否则，攻击演示装置重发的在接收端BOb接收就变成了)。比如对于偏振编解码系统，信号光参考系校准模块f包括偏振控制器进行偏振反馈校准；对于相位编解码系统，后端参考系校准模块包括移相器进行相位反馈校准。后端重发光源模块133可以根据某些校准反馈的需要，直接进行特定的后端的光源重发。比如为了协助如前所述的“延时补偿模块”进行延时补偿，可以发送特定的重发光，比如周期地发送以及
参考图5，图5为本发明实施例提供的又一种攻击演示装置的结构示意图，图5所示攻击演示装置130在图3所示实施方式的基础上进一步包括：第四光开关K4以及第五光开关K5。
所述第二光开关K2与所述第二波分复用器WDM2之间设置有第四光开关K4，所述第四光开关K4的控制端口1与所述第二光开关K2的控制端口1连接，其第一导通端口2与所述第二波分复用器WDM2连接。所述第一光开关K1的第二导通端口3与所述信号光前端截获探测模块a之间设置有第五光开关K5。所述第五光开关K5的控制端口1与所述信号光前端截获探测模块a连接，其第一导通端口2与所述第一光开关K1的第二导通端口3连接。所述第四光开关K4的第二导通端口3连接所述第五光开关K5的第二导通端口3。本发明实施例所述攻击演示装置可以采用偏振编解码方式。此时，所述信号光前端截获探测模块a为信号光偏振解码模块；所述信号光后端重发光源模块b为信号光偏振编码模块，具体实现方式可以如图6所示。需要说明的是，对于偏振编解码方式，信号光前端截获探测模块a以及信号光后端重发光源模块b包括但不局限于图6所示方式，信号光前端截获探测模块a可以为任意偏振编解码模块，信号光后端重发光源模块b可以为任意信号光偏振编码模块。
参考图6，图6为本发明实施例提供的一种偏振编解码方式的攻击演示装置的原理示意图，信号光前端截获探测模块a的实现方式可以如图6中图6a和图6c所示，信号光后端重发光源模块b的实现方式可以如图6中图6b所示。该实施方式中，当所述攻击演示装置具有强光致盲供给光路e时，强光致盲供给光路e的实现方式可以如图6中图6d所示。
图6a所示信号光前端截获探测模块a具有第二分束器BS2、第一偏振控制器EPC_#1、第二偏振控制器EPC_#2、第一偏振分束器PBS1、第二偏振分束器PBS2以及四个探测器(DH1、DV1、DP1和DN1)。本发明实施例中，偏振控制器可以为电偏振控制器，但是不局限于电偏振控制器。第二分束器BS2用于获取入射的信号光，将入射的信号光分为两路，一路通过所述第一偏振控制器EPC_#1入射所述第一偏振分束器PBS1，另一路通过所述第二偏振控制器EPC_#2入射所述第二偏振分束器PBS2。所述第一偏振分束器PBS1将入射的一路信号光分为两路，分别通过两个探测器(DH1和DV1)进行探测。所述第二偏振分束器PBS2将入射的另一路信号光分为两路，分别通过另两个探测器(DP1和DN1)进行探测。该实施方式中，第二分束器BS2的光入射端为信号光前端截获探测模块a的信号光输入端。
图6b所示信号光后端重发光源模块b具有四个激光器(LH、LV、LP和LN)、第一保偏偏振分束器PMPBS1、第二保偏偏振分束器PMPBS2、第一保偏分束器PMBS1、第三偏振控制器EPC_#3以及第一衰减器S1。四个所述激光器基于所述信号光前端截获探测模块a的探测结果，出射光信号。所述第一保偏偏振分束器PMPBS1用于将两个所述激光器(LH和LV)出射的光信号耦合。所述第二保偏偏振分束器PMPBS2用于将另两个所述激光器(LP和LN)出射的光信号耦合。所述第一保偏分束器PMBS1用于将所述第一保偏偏振分束器PMPBS1和所述第二保偏偏振分束器PMPBS2出射的光信号耦合，经过所述第一保偏分束器PMBS1出射的光信号依次经过所述第三偏振控制器EPC_#3和所述第一衰减器后S1后出射。所述第三偏振控制器EPC_#3的光出射端为所述信号光后端重发光源模块b的光出射端。
图6c所示信号光前端截获探测模块a具有第四偏振控制器EPC_#4、第二保偏分束器PMBS2、第三保偏偏振分束器PMPBS3、第四保偏偏振分束器PMPBS4以及四个探测器(DH2、DV2、DP2和DN2)。入射的信号光通过所述第四偏振控制器EPC_#4入射第二保偏分束器PMBS2，通过第二保偏分束器PMBS2分为两路，该分束器分出的两路偏振方向相对旋转45度。一路入射第三保偏偏振分束器PMPBS3，第三保偏偏振分束器PMPBS3将该路信号光分为两路分别通过另两个探测器(DP2和DN2)进行探测，另一路入射第四保偏偏振分束器PMPBS4，第四保偏偏振分束器PMPBS4将该路信号光分为两路分别通过另两个探测器(DP2和DN2)进行探测。该实施方式中，第四偏振控制器EPC_#4的光入射端为信号光前端截获探测模块a的光输入端。
图6d所示强光致盲供给光路e具有第一攻击激光器L2、第二攻击激光器L3、第三保偏分束器PMBS3以及第三衰减器S3。所述第一攻击激光器L2和所述第二攻击激光器L3出射的激光光信号经过所述第三保偏分束器PMBS3耦合后，通过所述第三衰减器S3的衰减出射所述攻击光信号。该该实施方式中，第三衰减器S3的光出射端为强光致盲攻击光路e的光出射端。该方式中，采用连续激光攻击方案，采用2个连续激光器作为攻击激光器L2和L3，通过一个保偏偏振分束器将两束激光耦合为一路。2个激光器的波长差别△pm，这里△取值需保证2个连续激光器的相关时间小于信号光脉冲宽度(比如大于500pm)。
本发明实施例所述攻击演示装置可以采用相位编解码方式。此时，所述信号光前端截获探测模块a为信号光相位解码模块；所述信号光后端重发光源模块b为信号光相位编码模块，具体实现方式可以如图7所示。需要说明的是，对于相位编解码方式，信号光前端截获探测模块a以及信号光后端重发光源模块b包括但不局限于图7所示方式，信号光前端截获探测模块a可以为任意相位编解码模块，信号光后端重发光源模块b可以为任意信号光相位编码模块。
参考图7，图7为本发明实施例提供的一种相位编解码方式的攻击演示装置的原理示意图，信号光前端截获探测模块a的实现方式可以如图7中图7a和图7c所示，信号光后端重发光源模块b的实现方式可以如图7中图7b和图7d所示。该实施方式中，当所述攻击演示装置具有强光致盲供给光路e时，强光致盲供给光路e的实现方式可以如图7中图7e所示。
图7a所示信号光前端截获探测模块a具有第五偏振控制器EPC_#5、第二相位调制器PM2、第一移相器PS1以及两个探测器(D1和D2)。入射的信号光依次通过第五偏振控制器EPC_#5、第二相位调制器PM2以及第一移相器PS1，在第一移相器PS1分为两路，分别通过两个探测器探测。该实施方式中，第五偏振控制器EPC_#5的光入射端为信号光前端截获探测模块a的信号光输入端。
图7b所示信号光后端重发光源模块b具有激光器L4、第二移相器PS2、第三相位调制器PM3以及第四衰减器S4。激光器L4基于所述信号光前端截获探测模块a的探测结果，出射光信号，该光信号依次通过第二移相器PS2、第三相位调制器PM3以及第四衰减器S4，最后通过第四衰减器S4的光出射端出射。该方式中，第四衰减器S4的光出射端出射为信号光后端重发光源模块b的光出射端。
图7c所示信号光前端截获探测模块a具有第四相位调制器PM4、第一环形器H1、第三分束器BS3、第三移相器PS3、两个法拉第旋转镜(F1和F2)以及两个探测器(D3和D4)。入射的信号光通过第四相位调制器PM4进入第一环形器H1的端口1，所述第一环形器H1的端口3出射的一路信号光通过探测器D3进行探测，所述第一环形器H1的端口2出射的另一路信号光经过后第三分束器BS3分为两路，该两路信号光分别通过一个所述法拉第旋转镜后，再次经过第三分束器BS3耦合后，通过另一个所述探测器D4进行探测。其中，第三移相器PS3设置在法拉第旋转镜F2与第三分束器BS3的光路之间。该方式中，第四相位调制器PM4的光输入端为信号光前端截获探测模块a的光输入端。
图7d所示信号光后端重发光源模块b具有激光器L5、第二环形器H2、第四分束器BS4、第四移相器PS4、两个法拉第旋转镜(F3和F4)、第五相位调制器PM5以及第五衰减器S5。激光器L5基于所述信号光前端截获探测模块a的探测结果，出射光信号。该激光信号入射第二环形器的端口1，通过端口2出射后入射第四分束器BS4，第四分束器BS4分为两路，该两路信号光分别通过一个所述法拉第旋转镜后，再次经过第三分束器BS3耦合后入射第五相位调制器PM5，通过第五相位调制器PM5出射后入射第五衰减器S5。其中，第四移相器PS4设置在法拉第旋转镜F4与第四分束器BS4的光路之间。该方式中，第五衰减器S5的光出射端为所述信号光后端重发光源模块b的光出射端。
图7e所示强光致盲供给光路e具有攻击激光器L6以及第六衰减器S6；所述攻击激光器L6出射的激光信号通过所述第六衰减器S6的衰减出射所述攻击光信号。该实施方式中，第六衰减器S6的光出射端为强光致盲攻击光路e的光出射端。该方式中，采用连续激光攻击方案，采用1个连续激光器作为攻击激光器L6，该连续激光器的相干长度需使得2个相位基矢探测器都能收到连续光(比如相干长度小于相位基矢光路中不等臂干涉仪的臂长差)。
本发明实施例所述攻击演示装置可以采用时间-相位编解码方式。此时，所述信号光前端截获探测模块a为信号光时间-相位解码模块；所述信号光后端重发光源模块b为信号光时间-相位解码模块，具体实现方式可以如图8所示。对于图8所示方式，当具有强光致盲供给光路e时，实现方式可以与图7e相同，在此不再赘述。需要说明的是，对于时间-相位编解码方式，信号光前端截获探测模块a以及信号光后端重发光源模块b包括但不局限于图8所示方式，信号光前端截获探测模块a可以为任意时间-相位编解码模块，信号光后端重发光源模块b可以为任意信号光时间-相位编码模块。
参考图8，图8为本发明实施例提供的一种时间-相位编解码方式的攻击演示装置的原理示意图，信号光前端截获探测模块a的实现方式可以如图8中图8a和图8c所示，信号光后端重发光源模块b的实现方式可以如图8中图8b和图8d所示。
图8a所示信号光前端截获探测模块a具有第五分束器BS5、第三环形器H3、第六分束器BS6、第五移相器PS5、两个法拉第旋转镜(F5和F6)以及三个探测器(D5、D6和D7)。入射的信号光入射第五分束器BS5，所述第五分束器BS5用于将获取的信号光分为三路，一路作为Z基矢测量端，通过一个探测器D5进行探测，另一路入射第三环形器H3的端口1，最后一路作为X基矢测量端。第三环形器H3的端口3出射的一路信号光通过另一个探测器D6进行探测，其端口2出射的另一路信号光经过所述第六分束器BS6分为两路，该两路信号光分别通过一个法拉第旋转镜后，再次经过第六分束器BS6耦合后，通过又一个所述探测器D7进行探测。在第六分束器BS6和法拉第旋转镜F6的光路之间设置第五移相器PS5。该方式中，第五分束器BS5的光入射端为信号光前端截获探测模块a的信号光输入端。
图8b所示信号光后端重发光源模块b具有三个激光器(Z0/1、X0和X1)、第六移相器PS6、第七分束器BS7以及第七衰减器。三个激光器基于所述信号光前端截获探测模块a的探测结果，出射光信号。激光器X0和X1出射的激光信通过第六移相器PS6耦合，耦合后的光信号与激光器Z0/1出射的激光信号通过第七分束器BS7耦合，耦合后的光信号经过第七衰减器S7出射。该方式中，第七衰减器S7的光出射端出射为信号光后端重发光源模块b的光出射端。
图8c所示信号光前端截获探测模块a具有第八分束器BS8、第六振控制器EPC_#6、第七移相器PS7以及三个探测器(D8、D9和D10)。入射的信号光通过第八分束器BS8分为两路，一路作为Z基矢测量端，通过一个探测器D8进行探测，另一路作为X基矢测量端，通过第六振控制器EPC_#6后入射第七移相器PS7，经过第七移相器PS7分为两路，分别通过探测器D9和D10进行探测。该方式中，第八分束器BS8的光输入端为信号光前端截获探测模块a的光输入端。
图8d所示信号光后端重发光源模块b具有两个激光器(L7和L8)、第四环形器H4以及第八衰减器S8。激光器L7和L8基于所述信号光前端截获探测模块a的探测结果，出射光信号。激光器L7出射的光信号入射第四环形器H4的端口2，激光器L8出射的光信号入射第四环形器H4的端口1，环形器H4的端口3出射的光信号通过第八衰减器S8出射。该方式中，第八衰减器S8的光出射端为所述信号光后端重发光源模块b的光出射端。
本发明实施例所述攻击演示装置中，同步光前端截获探测模块c以及同步光后端重发光源模块d的实现方式可以如图9所示，图9为本发明实施例提供的一种攻击演示装置的同步光前端截获探测模块和同步光后端重发光源模块的原理示意图。
图9a所示实施方式中，所述同步光前端截获探测模块c包括：分束器BS9以及PIN型光电管PIN1；所述分束器BS9用于将入射的同步光分为两路，一路入射所述PIN型光电管PIN1，另一路入射所述同步光后端重发光源模块d。所述同步光后端重发光源模块d包括第二延时器Y2。该方式中，所述分束器BS9的光入射端为同步光前端截获探测模块c的光入射端，第二延时器Y2的光出射端为同步光后端重发光源模块d的光出射端。
图9b所示实施方式中，所述同步光前端截获探测模块c包括：PIN型光电管PIN2；所述同步光后端重发光源模块d包括：同步光源LSync以及第三延时器Y3；所述同步光源LSync的驱动电信号与所述PIN型光电管PIN2的探测电信号连接，同步光源LSync输出的激光与所述第三延时器Y3连接Y3。该方式中，所述PIN型光电管PIN2的光入射端为同步光前端截获探测模块c的光入射端，第三延时器Y3的光出射端为同步光后端重发光源模块d的光出射端。本发明实施例中，通过对应的延时器补偿信号光的正常光路和攻击光路的时间差，通过对应的延时器使得攻击演示装置内处理后的同步光和信号光的延时差与攻击演示装置处理之前的同步光和信号光的延时差一致。本申请实施例中，所述延时器包括调节光纤长度的器件或者电子学延时器件。
所述攻击演示装置放置于第一光电系统11的出口处，以减少损耗。在所述攻击演示装置中，不同攻击模式需要设置不同的部分进行工作。其中，前端截获探测模块131和后端重发光源模块132配合执行截获重发和双计数攻击时，可以通过在强光致盲供给光路e中设置一个光开关，将强光致盲供给光路e所在光路断开，执行强光致盲攻击时，通过该光开关使得强光致盲供给光路e所在光路导通。其他方式中，也可以通过控制强光致盲供给光路e中激光器的开关信号，以使得强光致盲供给光路e所在光路断开或是导通。
本发明实施例中，所述攻击演示装置可以用于对QKD系统实施攻击演示，可以实施但不局限于以下三种攻击模式：截获重发攻击、基于截获重发攻击的双计数攻击以及强光致盲攻击。且所述攻击演示装置还方便扩展，演示时移攻击、探测效率不一致攻击等基于截获重发的攻击。
基于上述攻击演示装置实施例，本发明另一实施例还提供了一种攻击演示装置的攻击演示方法，用于量子密钥分发系统，所述量子密钥分发系统包括具有第一光电系统的发射端以及具有第二光电系统的接收端，所述攻击演示方法包括：
步骤S11：在所述第一光电系统与所述第二光电系统进行初始化校准时，进行攻击前校准。
攻击前校准包括延时扫描、延时补偿(可只进行一次)、参考系校准以及光强优化/设置，攻击演示装置的攻击前校准步骤在发射端Alice和接收端BOb进行初始化校准时进行。
步骤S12：攻击前校准完成后，将第一光电系统输入的光电信号进行同步光以及信号光波分解复用，以将同步光以及信号光分开。
步骤S13：分别探测所述同步光波分复用模块输出的同步光以及信号光。
步骤S14：基于所述前端截获探测模块的探测结果，重发相应的后端光源给所述第二光电系统，或用于根据预设校准反馈参数，重发预设的后端光源给所述第二光电系统。
可以通过上述实施例所述攻击演示装置执行所述攻击演示方法。基于后端重发光源模块的后端光源重发，可以用于QKD系统的攻击演示。完成攻击前校准以后，进行攻击演示，攻击演示攻包括攻击本身以及攻击补偿反馈。攻击演示装置的攻击步骤在发射端Alice和接收端BOb进行正常QKD时进行。攻击演示装置的攻击补偿反馈步骤在发射端Alice和接收端BOb进行异常处理时进行，反馈方法同攻击前校准，如计数率下降的时候可以进行延时扫描和补偿，误码率升高时进行参考系校准。
下面对所述攻击演示方法中攻击前校准以及攻击演示的具体工作过程进行说明。
一、攻击前校准
攻击演示装置的攻击前校准步骤在第一光电系统、第二光电系统进行初始化校准时进行。初始化校准工作主要包括延时扫描、参考系校准。
延时扫描功能通过延时器件调节和对齐探测器的效率曲线最高位置和光信号的延时位置，完成对单光子探测器的探测效率的优化，以使得系统计数率最优化。
对于攻击演示装置，前端延时扫描功能完成前端截获探测部分的截获探测效率最优化。对于攻击演示装置，后端延时补偿功能完成后端重发光源和正常光路的发射端Alice的光源的时间一致性，使得接收端BOb察觉不到时间不一致导致的探测效率不一致。
参考系校准功能完成QKD系统的参考系校准，以使得系统误码率最优化。
对于偏振编解码方式的光电系统，参考系校准为偏振校准；对于相位编解码方式的光电系统或时间-相位编解码方式的光电系统，参考系校准为相位校准。这里涉及到有参考系校准的模块包括：第一光电系统、攻击演示装置的a和b模块、第二光电系统。具体的参考系校准方式在不同的模式下(正常模式、攻击模式)可以有不同的要求：
1)对于没有正常模式只有攻击模式的情况，如图1和图2所示攻击演示装置，攻击光路的误码率和第一光电系统、攻击演示装置的a模块的参考系偏差有关，且和攻击演示装置的b模块、第二光电系统的参考系偏差有关，此时并不需要这四个模块的参考系都一样。此时，不需要图4和图5的辅助就能完成。
2)对于有正常模式和攻击模式的情况，如图3、图4和图5所示攻击演示装置，为了演示正常模式和攻击模式的误码率变化，而正常光路下演示的误码率和第一光电系统、第二光电系统的参考系偏差有关，攻击光路下演示的误码率和第一光电系统、攻击演示装置的a模块的参考系偏差，以及攻击演示装置的b模块、第二光电系统的参考系偏差有关，所以为了方便演示两者的区别，最优方式需要对第一光电系统、攻击演示装置的a和b模块、第二光电系统总共四个模块的参考系进行完全统一的校准，需要图4和图5的辅助就能完成。此时：
情况a——假设攻击演示装置能获取第二光电系统的探测计数信息：
在第二光电系统已经完成参考系校准后，攻击演示装置的b模块基于第二光电系统的参考系，根据获取的第二光电系统的计数率信息进行b模块的参考系校准。
如果不能假设攻击演示装置能获取接收端Bob的探测计数信息，那么攻击演示装置需要一个探测系统用于后端偏振反馈，
情况b——不能假设攻击演示装置能获取接收端Bob的探测计数信息：
攻击演示装置需要图4和图5两种方式的辅助可以完成参考系校准。具体反馈流程见图10，图10为本发明实施例提供的一种参考系校准的方法流程图，其中，图10a为图4所示攻击演示装置的参考系校准的方法流程图，图10b为图5所示攻击演示装置的参考系校准的方法流程图。而具体的参考系校准算法，偏振反馈的方法为通用的偏振反馈方法；相位反馈也为通用的相位反馈方法，在此不详细描述。
所述攻击演示方法可以实现光强优化/设置。
光强优化/设置是通过调节后端重发光源的衰减器使得攻击光路下接收端Bob的计数率和正常光路下接收端Bob的计数率尽量保持一致。对于强光致盲攻击，则光强优化/设置还包括对致盲光的光强设置，使其满足强光致盲攻击的要求。
二、攻击演示
在攻击演示阶段，通过光开关从正常光路切换到攻击光路，以及设置不同的攻击模式，可以观察计数率变化、误码率变化等，以方便进行攻击演示。
通过上述描述可知，本发明实施例所述的攻击演示方法，用于控制上述攻击演示装置，通过光开关从正常光路切换到攻击光路，以及设置不同的攻击模式，可以观察计数率变化、误码率变化等，以方便进行攻击演示。本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (15)

1.一种攻击演示装置，用于量子密钥分发系统，所述量子密钥分发系统包括具有第一光电系统的发射端以及具有第二光电系统的接收端，其特征在于，所述攻击演示装置包括：
同步光波分复用模块，用于将第一光电系统输入的光电信号进行同步光以及信号光的波分解复用，以将同步光以及信号光分开；
前端截获探测模块，用于分别探测所述同步光波分复用模块输入的同步光以及信号光；
后端重发光源模块，用于基于所述前端截获探测模块的探测结果，向所述第二光电系统进行相应的后端光源重发，或用于根据预设校准反馈参数，直接向所述第二光电系统进行预设的后端光源重发。
2.根据权利要求1所述的攻击演示装置，其特征在于，所述前端截获探测模块包括：信号光前端截获探测模块以及同步光前端截获探测模块，分别用于探测信号光以及同步光；
所述后端重发光源模块包括：信号光后端重发光源模块以及同步光后端重发光源模块，分别用于信号光以及同步光的后端光源重发。
3.根据权利要求2所述的攻击演示装置，其特征在于，还包括：强光致盲攻击光路，所述强光致盲攻击光路用于出射设定的攻击光信号；
其中，所述强光致盲攻击光路与第一分束器连接；所述第一分束器用于将所述攻击光信号和所述信号后端重发光源模块重发的信号光耦合。
4.根据权利要求2所述的攻击演示装置，其特征在于，所述同步光波分复用模块包括：第一波分复用器，所述第一波分复用器用于将所述第一光电系统出射的光信号进行同步光和信号光的波分解复用，其出射信号光的端口连接所述信号光前端截获探测模块，其出射同步光的端口连接所述同步光前端截获探测模块；
所述第二光电系统通过第二波分复用器分别与所述信号光后端重发光源模块以及所述同步光后端重发光源模块连接。
5.根据权利要求2所述的攻击演示装置，其特征在于，所述同步光波分复用模块包括：第一波分复用器，所述第一波分复用器用于将所述第一光电系统出射的光信号进行同步光和信号光的波分解复用，其出射信号光的端口连接第一光开关的控制端口，其出射同步光的端口连接所述同步光前端截获探测模块；
所述第一光开关的第一导通端口通过第一延时器连接第二光开关的第一导通端口，其第二导通端口连接所述信号光前端截获探测模块；
所述信号光后端重发模块的输出端与所述第二光开关的第二导通端口连接；
所述同步光波分复用模块还第二波分复用器，所述第二光电系统通过所述第二波分复用器分别与第二光开关的控制端口以及所述同步光后端重发模块连接；
其中，同一光开关中，控制端口基于开关控制信号与第一导通端口连接且与第二导通端口断开，或是与第一导通端口断开且与第二导通端口连接。
6.根据权利要求5所述的攻击演示装置，其特征在于，所述第二光开关与所述第二波分复用器之间设置有第四光开关，所述第四光开关的控制端口与所述第二光开关的控制端口连接，其第一导通端口与所述第二波分复用器连接；
所述第四光开关的第二导通端口连接信号光参考系校准模块，所述信号光参考系校准模块用于对信号光进行校准。
7.根据权利要求5所述的攻击演示装置，其特征在于，所述第二光开关与所述第二波分复用器之间设置有第四光开关，所述第四光开关的控制端口与所述第二光开关的控制端口连接，其第一导通端口与所述第二波分复用器连接；
所述第一光开关的第二导通端口与所述信号光前端截获探测模块之间设置有第五光开关；所述第五光开关的控制端口与所述信号光前端截获探测模块连接，其第一导通端口与所述第一光开关的第二导通端口连接；
所述第四光开关的第二导通端口连接所述第五光开关的第二导通端口。
8.根据权利要求2所述的攻击演示装置，其特征在于，所述信号光前端截获探测模块为信号光偏振解码模块；
所述信号光后端重发光源模块为信号光偏振编码模块。
9.根据权利要求8所述的攻击演示装置，其特征在于，还包括：强光致盲攻击光路，所述强光致盲攻击光路用于出射设定的攻击光信号；所述强光致盲攻击光路与第一分束器连接；所述第一分束器用于将所述攻击光信号和所述信号后端重发光源模块重发的信号光耦合；
所述强光致盲攻击光路包括：第一攻击激光器、第二攻击激光器、保偏分束器以及衰减器；
所述第一攻击激光器和所述第二攻击激光器出射的激光光信号经过所述保偏分束器耦合后，通过所述衰减器的衰减出射所述攻击光信号。
10.根据权利要求2所述的攻击演示装置，其特征在于，所述信号光前端截获探测模块为信号光相位解码模块；
所述信号光后端重发光源模块为信号光相位编码模块。
11.根据权利要求2所述的攻击演示装置，其特征在于，所述信号光前端截获探测模块为信号光时间-相位解码模块；
所述信号光后端重发光源模块为信号光时间-相位编码模块。
12.根据权利要求10或11所述的攻击演示装置，其特征在于，还包括：强光致盲攻击光路，所述强光致盲攻击光路用于出射设定的攻击光信号；所述强光致盲攻击光路与第一分束器连接；所述第一分束器用于将所述攻击光信号和所述信号后端重发光源模块重发的信号光耦合；
所述强光致盲攻击光路包括：攻击激光器以及衰减器；所述攻击激光器出射的激光信号通过所述衰减器的衰减出射所述攻击光信号。
13.根据权利要求2所述的攻击演示装置，其特征在于，所述同步光前端截获探测模块包括：分束器以及PIN型光电管；所述分束器用于将入射的同步光分为两路，一路入射所述PIN型光电管，另一路入射所述同步光后端重发光源模块；
所述同步光后端重发光源模块包括第二延时器。
14.根据权利要求2所述的攻击演示装置，其特征在于，所述同步光前端截获探测模块包括PIN型光电管；
所述同步光后端重发光源模块包括：同步光源以及第三延时器；所述同步光源的驱动电信号与所述PIN型光电管的探测电信号连接，同步光源输出的激光与所述第三延时器连接。
15.一种攻击演示装置的攻击演示方法，用于量子密钥分发系统，所述量子密钥分发系统包括具有第一光电系统的发射端以及具有第二光电系统的接收端，其特征在于，所述攻击演示方法包括：
在所述第一光电系统与所述第二光电系统进行初始化校准时，进行攻击前校准；
攻击前校准完成后，将第一光电系统输入的光电信号进行同步光以及信号光波分解复用，以将同步光以及信号光分开；
分别探测所述同步光波分复用模块输出的同步光以及信号光；
基于所述前端截获探测模块的探测结果，重发相应的后端光源给所述第二光电系统，或用于根据预设校准反馈参数，重发预设的后端光源给所述第二光电系统。
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